为什么地球上的生物都是由细胞组成的?

地球上的生物看上去千差万别。从蚂蚁到青蛙,从蚯蚓到鳄鱼,从蝴蝶到斑马,从海藻到玫瑰,不仅大小悬殊,模样也大不相同。但是从分子水平看,它们又是高度一致的。除了一些病毒以外(如果认为病毒也是生物的话),地球上所有的生物都用脱氧核糖核酸(DNA)作为遗传物质;用同样的四种核苷酸来“编写”生命的“密码”;用同样的20种氨基酸来组成蛋白质;都用磷脂来构建生物膜。也就是说,所有这些生物身体构造的“基本零件”都是相同的(见我在这个专栏里面的另一篇文章,《我们能请外星人吃饭吗?》)。

地球上的生物还有另外一个共同点,就是除了病毒以外,它们都是由细胞组成的。许多微生物只由一个细胞组成,叫单细胞生物。更多的生物由多个细胞组成,叫多细胞生物。比如人就是多细胞生物,身体由大约60万亿个不同类型的细胞所组成。

生物的身体可以很大。比如美洲红杉可以长到100多米高,在地面处的周长可以达到31米,要十几个人手牵手才围得过来。蓝鲸可以有33米长,180多吨重。但是细胞却很小,从细菌的几个微米到“真核细胞”(具有细胞核的细胞)的几十个微米。在绝大多数情况下,人的肉眼是看不见它们的。所以在人类几千年的文明史中,都不知道细胞的存在。在许多人的眼中,跳蚤蚂蚁就是很小的生物了,难以想象在小得眼睛都看不见的尺度上还会有生命,那“胳膊腿”得多小啊!

到了17世纪中期,英国的物理学家虎克用他自制的显微镜观察软木的薄片,发现里面密集地排列着许多小孔。他把这些小孔叫做“小室”(和后来英文的“细胞”是一个词)。尽管他看到的只是已经死亡的细胞的细胞壁,但是也开始发现植物组织是由很小的单位组成的。与虎克同时代的荷兰科学家列文虎克,制作了放大倍数更高的显微镜(现存的他制作的显微镜可以放大275倍)。用这些显微镜,他在取自池塘的水中观察到了各式各样的微生物。这使得人们大吃一惊,原来在这么小的尺度上还可以有独立的生命。列文虎克还观察到了动物的红血球和精子,这些都是实际观察到的来自动物身体的活细胞。

细胞学说的建立,要到1837年德国的生理学家施万和德国的植物学家施莱登在一起吃晚饭时的一次谈话。施万研究动物组织的构造,发现了包裹神经纤维的“施万细胞”。而施莱登则研究植物组织的构造。他们的交谈使他们意识到,啊,原来在动物和植物身体里面都能看见细胞,说明生物体都是由细胞组成的。这个想法经过后人的发展完善,成为生物学上的“细胞学说”。

细胞学说认为,(地球上)所有的生物都是由(一个或多个)细胞组成的;细胞是所有生命形式最基本的结构和功能单位;而且所有的新细胞都从已有的细胞分裂而来。这个学说把对生物体结构和功能的研究放到了坚实的基础上,是十九世纪最伟大的科学发现之一,其意义不亚于物质结构的原子分子理论。

细胞学说陈述的是事实,所以大家都能接受。但是如果我们问一句,为什么地球上的生物体都是由细胞组成的?为什么没有看见不分成细胞的大型生物?答案就不是那么容易得出的了。 要回答这个问题,我们首先要弄清楚为什么细胞是那么小,一般在微米的范围内。原因主要有两个,一个是几何上的,另一个是物理上的。

几何上的原因就是,一个物体变大时,表面积是按线度的平方关系增加的,而体积(也就是重量)却按线度的立方关系增加(见我在这个专栏里的另一篇文章,《人能不能微缩?》)。体积越大,单位体积所拥有的表面积就越小。细碎的白砂糖在水里溶解得比较快,但是如果把这些白砂糖变成一块冰糖,在水中溶解就慢多了,因为糖的总表面积(也就是糖与水接触的面积)变小了。细胞也是一样。细胞的体积越大,单位体积拥有的表面积就越小。而细胞要维持生命,必须和外界不断地进行物质交换,而这这种交换只能通过细胞表面来进行。细胞越大,相对的表面积越小,到一定程度就不能维持细胞的生理需要。只有细胞的尺度在微米级,相对的表面积才能满足物质交换的需要。

如果人是由一个细胞组成的,总的表面积(也就是皮肤的总面积)只有两平方米左右。这样小的面积是不足以进行气体交换的(如果气体交是通过体表进行的话)。我们的肺脏由大量的肺泡组成,总面积有70平方米左右,接近半个网球场的大小,这才能满足人体吸入氧气,排出二氧化碳的需要。同理,我们身体所需要的营养物质不是通过体表的皮肤来吸收的,而主要是通过小肠。小肠壁不仅形成了许多皱褶来增大面积,肠壁细胞上还长出大量的绒毛来进一步增进表面积,使得小肠吸收养料的总面积达到200平方米左右。肺泡和小肠都是和身体的外部相通的,所以人体是由这些通进身体里的,巨大的“内表面”来和外界交换物质。而这样大的“内表面”是单个细胞难以拥有的。

物理上的原因是分子在水里向一个方向移动的速度很慢。我们都有这样的经验,放一勺糖到水里,如果不搅动,过了很长时间上层的水仍然没有什么甜味,尽管在水底部的糖已经完全溶化。细胞所需要的物质(比如氧气和葡萄糖),就算是它们的分子进入细胞了,这些分子移动的速度也很慢,因为它们要和细胞内的水分子及其它分子不断地碰撞。这就像一个人在街上走路,如果街上没有什么行人,你可以很快地从街的一头走到另一头。但是如果街上挤满了人,你走到另一头就要花很多时间。细胞里是充满了水溶液的,相当于挤满了人。如果细胞太大,这些分子从细胞表面走到细胞里需要它们的地方(比如细胞的“动力工厂”,一种叫“线粒体”的细胞器)就要花太长的时间,相当于工厂的原料和燃料供应不足,细胞的生命活动就不能维持了。

明白了这两个原因,就不难理解为什么我们看不见单个细胞的大动物了,因为那相当于一个大细胞,难以有效地和外界进行物质交换。地球上的单细胞生物是很“聪明”的,它们一般不朝着巨大细胞的方向走,而是先聚合在一起,形成群体。比如团藻,就是由几千个到几万个衣藻类细胞连成的一个单层细胞的球形空腔。每个细胞仍然很小,但是团藻却可以大到一两个毫米。身体一大,就不容易被其它动物吃掉了,而且上万个细胞长出的鞭毛一起划动,运动起来也更有效率。团藻还进行了细胞分化,由一些细胞专管繁殖。这些进步就使团藻比单个细胞有优势了。

细胞之间的分化可以形成更为复杂的结构。比如水螅,它的身体是由两层细胞组成的一根空管,一端是“口”,周围长着几根“触手”,可以用来捕食。另一端是堵住的,下有“基盘”,可以附着在水草的枝叶上。里面的空腔可以用来消化食物,残渣也由“口”排出,所以“口”同时也是“肛门”。它既可以用出芽的方式进行无性繁殖,也可以长出“精巢”和“卵巢”,进行有性繁殖。

沿着这样的聚集——分化的途径,单细胞生物在一起就可以形成越来越复杂的结构。尽管生物体的总尺寸可以越来越大,但是每个细胞还是在微米水平。大的动物身体里面还发展出巨大的“内表面”(比如人的肺泡和小肠绒毛)来和外界进行物质交换,并且通过循环系统把氧气和养料“送”到每个细胞面前,又把细胞产生的废物带走(植物细胞消耗的能量比动物少得多,所以用叶片来扩大表面积和用脉管系统来输送物质就可以满足各种细胞的需要)。不同类型的细胞分工合作,形成高度复杂的有机体,看来这是生物进化更有效的途径,也是地球上的绝大多数比较大的生物都是多细胞生物的原因。

但是另一条途径,即细胞自己变大变复杂,也并非完全不可能。比如变形虫和草履虫,它们就是单细胞动物里面的“巨人”。草履虫虽然只有一个细胞,但是它的长度可达到200至300微米,可以吃大小只有一两个微米的细菌。它有“口沟”用来吃东西,相当于人的嘴和食道;有“食物泡”来消化食物,相当于人的胃;有“伸缩泡”和收集管来收集和排出废物,相当于人的肾脏、膀胱、和尿道;它还有纤毛,用来游泳,像人的四肢。食物泡的运动和伸缩泡的收缩还可以起到“搅拌”的作用,加速细胞内物质的流动。

能不能把草履虫这样的原生动物进一步“放大”,进化成体型更大的生物体呢?也就是说,不走多细胞生物这条路呢?比如用伸出的突起和通向内部的管道系统来扩大表面积,在细胞内建一个专门的“搅拌机”来加速物质循环,等等。但是这些非细胞的大型结构在实际上建得成建不成还很难说。

就算这样的内部结构建得成,在地球上,这样的单细胞大生物却很少有生存的机会。因为地球上充满了多细胞生物,而多细胞生物是高度有效,竞争力很强的。走另外一条路的单细胞大生物在多细胞生物的竞争面前,会很快被淘汰,只有在多细胞生物难以达到的地方,巨大的单细胞生物才有可能发展出来。比如在深达1万多米的玛利亚纳海沟的底部,科学家们就发现了直径达10厘米的单细胞生物。它的表面长满了皱褶,说明这种生物也“懂得”用这种方式可以增大表面积。不过大的单细胞生物只能“躲”在深海这个事实也说明,走单细胞放大这条路不是很成功的。只有走多细胞分工合作这条路才能产生出高度复杂的生物,包括人类自己。

有趣的是,在特殊情况下,多细胞生物也可以产生出巨大的细胞来。比如没有受精的鸡蛋的蛋黄就是一个细胞,但是里面绝大部分是原先为胚胎发育准备的营养物质,基本上没有什么代谢活动。桔子瓣里面梭形的透明颗粒也是细胞;西瓜瓤里面的细胞也比较大,眼睛都可以看见。但是这些细胞都是准备让其它动物吃的,以便传播种子,长成以后也没有多少代谢活动。要成为进行正常生命活动的多细胞生物体活跃的一部分,每个细胞还得是“微米级”的。